[发明专利]一种多光程单气室的光谱采样气室设计方法与装置

说明书

本发明具体涉及一种多光程单气室的光谱采样气室的设计方法与装置。包括两个端镜采用多重环形设计，各环之间环环相套，每个环形具有不同的曲率半径。每个环带结合气室腔长，均有适合光程需求的传播模式。各个模式的光程范围差别大，有利于实现不同目标分析物和测量范围的需求。本专利多光程单气室的光谱采样气室应用在吸收光谱技术的气体分析仪上，主要优点：将几个分析通道集成到一个气室，使整个分析仪外壳的体积成功降至20%‑30%；温度稳定性提高，单气室热负荷小，分析仪的能源功耗降低至30%左右；测试准确性提高；降低测量时的气体采样量，节省70%以上的气体使用；本设计的反应时间加快的现有设计的反应时间的30%。

（一）技术领域

本发明涉及光学系统，具体涉及一种多光程单气室的光谱采样气室的设计方法与装置，主要应用在基于光学、光谱学特别是吸收光谱技术的分析仪仪器上，可以测量气体成份含量和其它物理化学特性。

（二）背景技术

现有成熟测量技术测量气体成份包括：催化燃烧传感器、电化学传感器、金属氧化物半导体传感器等。在要求比较苛刻的在线分析应用，上述技术的劣势集中表现为：广谱反应，选择性差，易受干扰，传感单元属于消耗型，寿命短。气相液相色谱仪也可用于测量气体成份含量，但一般只用于试验室分析。它价格昂贵，步骤繁琐，操作复杂，使用载气，检测时间长，不适于在线应用。

光谱技术可选择特定波段检测目标分析物，能有效处理其它物质的光谱干扰。光谱分析具有速度快、非接触性、非消耗性等优势特点。可实现快速、精准、稳定的检测。由于可调制激光吸收光谱具有极高的灵敏度，现国际大公司开发竞相开发用于石化领域的气体在线分析仪。对于选定的目标分析物，首先根据半导体激光管的市场供应和生产工艺，选择合适波长的半导体激光管作为吸收光源。之后，对于分析物的测量灵敏度起决定作用的就是吸收光程了。再根据测量范围的大小，选择不同的光程。

吸收光谱技术可以实时在线监测石油化工过程、石油天然气管道储运、环保环境监测、农牧业等应用场合的气体，为控制决策提供可靠的数据支撑。现在工业上分析仪器使用的采样气室设计尤其是多次反射的长光程气室，都是一个测量物的一个量程采用一个通道、一个气室。即使只是量程发生变化，采用不同光程，不得不使用另外一个气室。更不用说多种分析物的同步测量，这使得基于吸收光谱技术的气体分析吸引力大打折扣。基于航空航天技术的特别需求，美国空气动力推进实验室（JPL）的科学家们设计制造了一个四通道的吸收光谱分析仪，用于搭载航空飞行器在火星上对甲烷和水等痕量成份进行分析。

本专利针对工业应用环境，设计一个具有集成多个不同光程的单气室的光谱采用气室，可以实现采用多个光源对多个目标成份的准确测量。由于多路复用，气室数目减少，体积和重量减少，制造成本降低。正常使用所消耗的过程气体和校验气体减少。热负载小，维持温度稳定消耗的能源减少，稳定性提高。所使用的附件如流路控制的阀门，管路，过滤器减少。所使用的电子器件如温度变送器和压力变送器减少，对应的分析仪接口减少，提高分析仪的资源利用率。对比多气室无论是并联还是串联，本发明设计是在同一时间测量气体的同一状态，可提高修正模型的准确性。

（三）发明内容

本发明为了提高采样气室的使用效率，提供了一种应用在吸收光谱技术的气体分析仪上的多光程单气室的光谱采样气室的设计方法与装置，本装置主要包括：两个端镜，气室腔体和状态传感器（温度，压力和流量等）。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种多光程单气室的光谱采样气室装置，其特殊之处在于：包括两个端镜采用多重环形设计，各环之间环环相套，每个环形具有不同的曲率半径。

本发明的多光程单气室的光谱采样气室装置，每个环带结合气室腔长，均有适合光程需求的传播模式。

本发明的多光程单气室的光谱采样气室装置，各个模式的光程范围差别大，有利于实现不同目标分析物和测量范围的需求。